基于多重同步压缩变换降噪的机械参数辨识方法

本发明涉及基于多重同步压缩变换降噪的机械参数辨识方法，属于故障监测及信号。

背景技术：

1、随着工业技术的发展，交流伺服系统被广泛运用在工业机器人、cnc机床等高精度设备中。伺服驱动系统的控制性能与机械参数有着很大的关联，若伺服驱动系统的控制器参数与系统不匹配，会降低系统的运行质量，影响机械设备的寿命。

2、在实际应用中，由于系统的高固有频率或者存在系统响应速度问题等原因，在系统的辨识过程中常常会引入噪声干扰，对系统的响应输出产生影响从而导致参数辨识值的不准确。因此对输入输出信号进行降噪处理提高系统参数辨识值得准确性有重要意义。

3、如果机械系统的结构理论上准确已知，那么就可以用参数辨识的方法来确定机械系统的参数，机械系统参数的变化可以推断系统是否有故障发生，对参数变化的进一步分析可以用来确定故障的类型、大小和位置，对检测到微小、初期的故障时及时对机械系统进行检修避免造成更大的经济损失。

技术实现思路

1、针对上述需求及存在的问题，本发明提供了基于多重同步压缩变换降噪的机械参数辨识方法，以用于解决高固有频率系统在系统辨识过程中引入的噪声问题，同时提高了参数辨识的准确性。

2、本发明的技术方案是：基于多重同步压缩变换降噪的机械参数辨识方法，提高了高刚性低惯量系统在噪声干扰下的参数辨识结果，所述方法的具体步骤如下：

3、s1、对高刚性低惯量双电机对托实验台进行数学建模，引入简化后的双惯量数学模型；

4、s2、对双惯量系统进行动力学分析，获得系统输入输出间的传递函数模型，确定传递函数的分子分母阶数；

5、s3、推导传递函数分子分母系数与待辨识系统参数之间的映射关系；

6、s4、通过内部扫频转矩信号对双电机对托系统进行激励；通过伺服系统分别对系统运动状态下的转矩激励信号及输出转速信号进行监测并采集；

7、s5、对采集到的系统输入转矩信号和输出转速信号做多重同步压缩降噪处理；

8、s6、对经过降噪处理后的输入输出信号通过welch法求得系统得频率响应曲线；

9、s7、基于系统的频率响应曲线通过阻尼高斯-牛顿迭代搜索传递函数模型待定的分子分母系数；

10、s8、通过传递函数分子分母系数与机械系统待辨识参数的映射关系获得机械系统的参数辨识值。

11、作为本发明的进一步方案，所述s1中引入简化双惯量数学模型的方法为：将驱动端电机转动惯量及质量盘等效为驱动端转动惯量，负载端电机转动惯量及质量盘等效为负载端转动惯量，轴系传动机构等效为带阻尼的扭转弹簧；由此引入简化后的双惯量数学模型。

12、作为本发明的进一步方案，所述s2中确定传递函数的分子分母阶数的方法为：在初始条件为静止的前提下，根据系统动力学微分方程做拉普拉斯变换得到系统传递函数及分子分母阶数。

13、作为本发明的进一步方案，所述s4中对双电机对托系统进行激励及监测并采集的方法为：在速度闭环的辨识设置中，将扫频信号叠加在基础转矩信号中对系统进行激励，通过伺服系统对系统的转矩信号和转速信号进行监控并对数据进行采集。

14、作为本发明的进一步方案，所述s5中，多重同步压缩变换降噪处理的具体方法为：对扫频激励信号做多同步压缩变换，提取信号时频脊线，通过瞬时频率周围的时频系数对信号进行重构；由于系统为线性模型，输入输出的频率相同，对输出转速提取对应频率成分进行多重同步压缩变换，同理对信号进行重构；通过上述方法步骤实现输入输出信号的降噪处理，提高信号的信噪比。

15、作为本发明的进一步方案，所述s7中，确定传递函数模型待定的分子分母系数的方法为：基于系统的实际频率响应曲线，通过阻尼高斯-牛顿迭代搜索法根据传递函数模型对系统频率响应曲线进行拟合得到待定的分子分母系数。

16、本发明的有益效果是：

17、针对高刚性低惯量具有高固有频率的机械系统在辨识过程中存在噪声干扰的问题，本发明能够通过多同步压缩变换对系统的输入输出信号进行降噪处理，并且能够提升机械系统参数辨识的准确性。

18、本方法能够改善伺服系统的控制效果，根据系统的辨识值能够指导伺服驱动器的电流环、速度环和位置环的参数调整，实现机械系统的高精度控制。

19、本方法能够对对机械系统的健康状态进行评估，通过对比系统实际的参数值和辨识参数值，提取参数变化项，对参数变化的进一步分析可以用来确定故障的类型、大小和位置，对检测到微小、初期的故障时及时对机械系统进行检修避免造成更大的经济损失。经过实例求证，本发明可以有效的对低信噪比高固有频率的机械系统的参数进行辨识，具有广泛的实用性，而且辨识结果可靠。

技术特征：

1.基于多重同步压缩变换降噪的机械参数辨识方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述的基于多重同步压缩变换降噪的机械参数辨识方法，其特征在于：所述s1中，引入简化双惯量数学模型的方法为：将驱动端电机转动惯量及质量盘等效为驱动端转动惯量，负载端电机转动惯量及质量盘等效为负载端转动惯量，轴系传动机构等效为带阻尼的扭转弹簧；由此引入简化后的双惯量数学模型。

3.根据权利要求1所述的基于多重同步压缩变换降噪的机械参数辨识方法，其特征在于：所述s2中，确定传递函数的分子分母阶数的方法为：在初始条件为静止的前提下，根据系统动力学微分方程做拉普拉斯变换得到系统传递函数及分子分母阶数。

4.根据权利要求1所述的基于多重同步压缩变换降噪的机械参数辨识方法，其特征在于：所述s4中，对双电机对托系统进行激励及监测并采集的方法为：在速度闭环的辨识设置中，将扫频信号叠加在基础转矩信号中对系统进行激励，通过伺服系统对系统的转矩信号和转速信号进行监控并对数据进行采集。

5.根据权利要求1所述的基于多重同步压缩变换降噪的机械参数辨识方法，其特征在于：所述s5中，多重同步压缩变换降噪处理的具体方法为：对扫频激励信号做多同步压缩变换，提取信号时频脊线，通过瞬时频率周围的时频系数对信号进行重构；由于系统为线性模型，输入输出的频率相同，对输出转速提取对应频率成分进行多重同步压缩变换，同理对信号进行重构；通过上述方法步骤实现输入输出信号的降噪处理，提高信号的信噪比。

6.根据权利要求1所述的基于多重同步压缩变换降噪的机械参数辨识方法，其特征在于：所述s7中，确定传递函数模型待定的分子分母系数的方法为：基于系统的实际频率响应曲线，通过阻尼高斯-牛顿迭代搜索法根据传递函数模型对系统频率响应曲线进行拟合得到待定的分子分母系数。

技术总结
本发明涉及基于多重同步压缩变换降噪的机械参数辨识方法，属于故障监测及信号处理技术领域。本发明通过内部激励信号对双惯量系统进行激励，对系统的输入输出信号进行降噪处理，得到双惯量系统驱动转矩和驱动端速度响应之间的频率响应曲线。通过双惯量系统的简化数学模型推导出激励转矩信号与输出转速之间的传递函数。基于频率响应曲线通过阻尼高斯‑牛顿迭代搜索传递函数待定分子分母系数，从而得到系统的参数辨识值。通过实例求证，本发明可以有效的辨识双惯量系统的机械参数值，具有广泛的实用性，并且辨识结果可靠。

技术研发人员：柳小勤,林盛,伍星,刘畅,刘韬
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14